姚 撼 李勝勇 陳佳俊 尤俊郎

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)由各種作戰(zhàn)子系統(tǒng)按照一定的指揮關(guān)系、組織關(guān)系和運(yùn)行機(jī)制構(gòu)成，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支撐，通常具有較為復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)［1］。

利用網(wǎng)絡(luò)模型分析水面艦艇作戰(zhàn)活動(dòng)過(guò)程及信息交互關(guān)系，是當(dāng)前作戰(zhàn)建模仿真領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究最早可追溯至20世紀(jì)60年代，當(dāng)前主要集中在體系結(jié)構(gòu)分析、作戰(zhàn)力量編組、復(fù)雜系統(tǒng)建模、作戰(zhàn)效能評(píng)估等方面。如美軍先后提出權(quán)力邊緣［2］、敏捷性?xún)?yōu)勢(shì)［3］等先進(jìn)作戰(zhàn)理念，并依托ELICIT實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圍繞作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展體系融合、動(dòng)態(tài)控制、深度協(xié)作等研究，以成功應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)和不確定環(huán)境的各種挑戰(zhàn)；美國(guó)Jeff Cares［4］解析了分布式網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了信息時(shí)代的戰(zhàn)斗網(wǎng)絡(luò)模型；滕克難等［5］建立了水面艦艇反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)化組織作戰(zhàn)過(guò)程進(jìn)行度量。

水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)［6］是對(duì)作戰(zhàn)體系組成部分的結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系的模型化描述。信息流描述了水面艦艇作戰(zhàn)體系中信息的傳遞過(guò)程及活動(dòng)特征，是對(duì)作戰(zhàn)流程的有效反映［7］。本系統(tǒng)旨在優(yōu)化艦船指揮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高其協(xié)調(diào)工作能力；利用全面的信息交互分析［8］，提供更加全面的系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)內(nèi)容，提高輔助決策的能力；提供從系統(tǒng)工程的角度思考水面艦艇信息化系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)之間的協(xié)同工作?；谏鲜觯O(shè)計(jì)與研制一套模擬系統(tǒng)對(duì)水面艦艇信息系統(tǒng)體系形成以及體系作戰(zhàn)能力生成具有重要意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

選擇信息流［9］作為切入點(diǎn)，研究作戰(zhàn)活動(dòng)過(guò)程，分析信息交互關(guān)系，理清信息類(lèi)型、內(nèi)容及流向，能夠有效降低建模問(wèn)題的復(fù)雜度，較好地解決作戰(zhàn)過(guò)程分析和信息交互研究中系統(tǒng)性、層次性和針對(duì)性不足的問(wèn)題［10］，并從機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)模擬、平臺(tái)狀態(tài)信息處理、作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布、不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互、信息交互展示五個(gè)主要功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件的總體架構(gòu)分為三層：基礎(chǔ)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。在該體系架構(gòu)中，每一層承擔(dān)兩個(gè)角色，為上層提供服務(wù)和利用下層提供服務(wù)。其中，基礎(chǔ)層由服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)及程序編譯運(yùn)行環(huán)境組成：服務(wù)層提供公共的基礎(chǔ)服務(wù)，主要包括公共函數(shù)庫(kù)、UDP/DDS報(bào)文結(jié)構(gòu)；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)的模擬以及人機(jī)交互界面，模擬系統(tǒng)包括本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)模擬、艦載直升機(jī)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬、航空管制系統(tǒng)模擬、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬、綜合氣象水文系統(tǒng)模擬、武器系統(tǒng)狀態(tài)模擬。作戰(zhàn)信息交換仿真模擬器總體框架圖如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

使用面向數(shù)據(jù)流的方法對(duì)作戰(zhàn)信息交換仿真模擬軟件的各功能子系統(tǒng)處理流程進(jìn)行分析。

1）作戰(zhàn)任務(wù)與各個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)流程

根據(jù)作戰(zhàn)平臺(tái)下達(dá)的作戰(zhàn)任務(wù)，聯(lián)動(dòng)各個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)，對(duì)本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)模擬、艦載直升機(jī)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬、航空管制系統(tǒng)模擬、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬、綜合氣象水文系統(tǒng)模擬、武器系統(tǒng)狀態(tài)模擬等模擬，提供在不同作戰(zhàn)任務(wù)下，各個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)信息。

2）各作戰(zhàn)系統(tǒng)與平臺(tái)信息交互模擬軟件信息交互流程

在作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)的時(shí)候，各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)需要獲得動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)的信息，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，不同的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，獲取不同系統(tǒng)的信息，對(duì)不同的信息內(nèi)容交互信息進(jìn)行展示。

3）各作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息交互流程

下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)的時(shí)候，不同的作戰(zhàn)任務(wù)需要不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互。

該作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)艦船下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)如反潛作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)需要獲取相關(guān)平臺(tái)信息如動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地顯示作戰(zhàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式下的作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)與水面平臺(tái)信息系統(tǒng)的信息交互情況。作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要獲取采集到的動(dòng)力、電力、損管等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)，模擬系統(tǒng)需要和平臺(tái)進(jìn)行交互。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能分解

作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)從總體上考慮主要分為五個(gè)軟件功能模塊：機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)模擬模塊、平臺(tái)狀態(tài)信息處理模塊、作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布模塊、不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互模塊、信息交互展示模塊。圖3給出了系統(tǒng)具體分層結(jié)構(gòu)。

3.2 系統(tǒng)功能模塊描述

1）機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)模擬模塊

機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)模擬模塊是指模擬幾種典型戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下，作戰(zhàn)系統(tǒng)向平臺(tái)發(fā)送的機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)，由平臺(tái)信息交互模擬軟件接收?qǐng)?zhí)行。

2）平臺(tái)狀態(tài)信息處理模塊

圖3 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

該模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是接收平臺(tái)信息交互模擬軟件提供的動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)。

3）作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布模塊

該模塊主要是將武器系統(tǒng)、艦載直升機(jī)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合氣象水文系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送至平臺(tái)信息交互模擬系統(tǒng)。

4）不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互模塊

該模塊主要是實(shí)現(xiàn)不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息以UDP/DDS格式進(jìn)行交互，通過(guò)配置信息格式類(lèi)型完成不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息交互。

5）信息交互展示模塊

信息交互展示模塊主要是展示在一個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)后，不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間以何種格式發(fā)送哪些信息。給用戶(hù)展示一個(gè)動(dòng)態(tài)的信息交互界面，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)配置接口。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)采用在Windows下開(kāi)發(fā)，管理平臺(tái)和子系統(tǒng)操作平臺(tái)基于HTML5+CSS3+JAVASCRIPT開(kāi)發(fā)，服務(wù)器基于Spring+Struts+Hibernate框架使用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完成。數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 系統(tǒng)場(chǎng)景部署

開(kāi)發(fā)環(huán)境所采用的硬件設(shè)備為1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)刀片服務(wù)器，搭載TC2600、HPBL460C服務(wù)器10臺(tái)，存儲(chǔ)容量5T，VMwarevSphere（5.5）做支撐軟件，用JA?VA作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，軟件環(huán)境為WindowsServer2003/2008，ApacheActiveMQ，Tomcat、SpringFramework、HibernateJPA，數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.3 系統(tǒng)指揮流程及信息交換

水面艦艇作戰(zhàn)任務(wù)較多，這里用比較具有代表性的末端防空反導(dǎo)作為典型例子進(jìn)行分析。水面艦艇末端防空反導(dǎo)的目標(biāo)主要是突破我層層攔擊的敵方反艦導(dǎo)彈［11］，其行動(dòng)分為觀(guān)察警戒、跟蹤識(shí)別、干擾抗擊三個(gè)步驟［12］。在具體實(shí)施過(guò)程中，由水面艦艇在編隊(duì)指揮所的意圖下負(fù)責(zé)指揮。如圖4所示。

1）觀(guān)察警戒

水面艦艇開(kāi)啟主動(dòng)對(duì)空探測(cè)設(shè)備時(shí)，同時(shí)對(duì)目標(biāo)來(lái)襲方向進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)，加強(qiáng)對(duì)掠海飛行或采用高空彈道臨空后垂直向下攻擊的反艦導(dǎo)彈的觀(guān)察警戒。在收到上級(jí)指揮所或相關(guān)方向水面艦艇群指揮所通過(guò)數(shù)據(jù)鏈或其他方式通報(bào)的目標(biāo)信息后，綜合使用本艦的各型對(duì)空搜索警戒雷達(dá)與光電探測(cè)設(shè)備對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并獲取目標(biāo)的精確位置及運(yùn)動(dòng)要素等信息。

2）跟蹤識(shí)別

水面艦艇發(fā)現(xiàn)來(lái)襲目標(biāo)后，保持對(duì)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)視，快速查明目標(biāo)位置及其飛行方向、高度、速度，確定其威脅等級(jí)，并據(jù)此制定相應(yīng)的電子干擾與火力抗擊方案。

圖4 水面艦艇末端防空反導(dǎo)指揮流程示意圖

3）干擾抗擊

當(dāng)目標(biāo)即將進(jìn)入水面艦艇的防空作戰(zhàn)區(qū)時(shí)，水面艦艇按照本艦防空作戰(zhàn)方案向相關(guān)武器系統(tǒng)下達(dá)目標(biāo)指示，及時(shí)引導(dǎo)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行電子干擾與火力抗擊。水面艦艇在末端防空反導(dǎo)中，以火力抗擊為主；對(duì)于電視成像、紅外成像等高智能、高精度制導(dǎo)的反艦導(dǎo)彈，積極組織光電干擾；對(duì)于雷達(dá)末制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈，視情進(jìn)行沖淡干擾，一般不進(jìn)行質(zhì)心干擾。

水面艦艇在實(shí)施電子干擾與火力抗擊過(guò)程中，觀(guān)察作戰(zhàn)效果。如果目標(biāo)在我干擾與抗擊下或由于自身問(wèn)題對(duì)我失去威脅，將戰(zhàn)果上報(bào)上級(jí)指揮所，并迅速完成彈藥裝填、裝備檢拭和人員調(diào)整等作戰(zhàn)間隙的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備，以利再戰(zhàn)；如果我遭目標(biāo)襲擊受損，立即進(jìn)行損害管制，力爭(zhēng)自救，并積極依靠編隊(duì)救援力量進(jìn)行戰(zhàn)斗力恢復(fù)。

在末端防空反導(dǎo)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)下，使用電子對(duì)抗手段，通過(guò)實(shí)現(xiàn)無(wú)源/光電干擾手段，本艦需要開(kāi)展規(guī)避動(dòng)作，需要調(diào)整本艦的姿態(tài)，向平臺(tái)發(fā)送包括本艦航向、本艦航速、本艦機(jī)動(dòng)時(shí)刻等機(jī)動(dòng)參數(shù)。電子對(duì)抗態(tài)勢(shì)下的機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)UDP方式發(fā)送到平臺(tái)信息交互模擬軟件，由平臺(tái)信息交互模擬軟件根據(jù)相應(yīng)的機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)返回相應(yīng)的機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)給水面艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。其信息交換時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 末端防空反導(dǎo)各系統(tǒng)間信息交換時(shí)序圖

4.4 系統(tǒng)任務(wù)仿真效果

該系統(tǒng)可以針對(duì)當(dāng)前已有任務(wù)進(jìn)行管理，包括顯示任務(wù)信息和啟動(dòng)任務(wù)，如圖6和7所示。

當(dāng)任務(wù)模擬的時(shí)候，且相關(guān)系統(tǒng)在任務(wù)狀態(tài)界面，在特定步驟發(fā)生時(shí)，相應(yīng)狀態(tài)表中將會(huì)接收數(shù)據(jù)，并填上接收到的相應(yīng)內(nèi)容，如圖8所示。

圖6 末端防空反導(dǎo)任務(wù)簡(jiǎn)介及流程圖

圖7 系統(tǒng)任務(wù)仿真效果圖

圖8 任務(wù)模擬

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了各作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)配置圖形化的顯示以及平臺(tái)模擬軟件信息的及時(shí)反饋，但在復(fù)雜信息交互環(huán)境下該系統(tǒng)與實(shí)船所搭載系統(tǒng)還存在一定差距，設(shè)計(jì)的流程只是按照常規(guī)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，遇到特殊情況時(shí)系統(tǒng)將無(wú)法進(jìn)行模擬。為進(jìn)一步提高作戰(zhàn)效率下一步還將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的細(xì)化，在任務(wù)的定制上考慮更多可能出現(xiàn)的情況，將展示效果做得更加簡(jiǎn)潔直觀(guān)，方便決策者做出判斷。

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